Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Упрощенная система космического корабля. Пунктирные оранжевые стрелки обозначают радиосвязь; сплошные черные стрелки обозначают наземные сетевые соединения. (Пользовательские терминалы обычно полагаются только на один из указанных путей для доступа к ресурсам космического сегмента.)

Наземный сегмент состоит из всех наземных элементов космических аппаратов системы , используемых операторами и вспомогательным персоналом, в отличие от космического сегмента и пользовательского сегмента. [1] [2] : 1 Наземный сегмент позволяет управлять космическим кораблем, а также распространять данные о полезной нагрузке и телеметрию среди заинтересованных сторон на земле. Основными элементами наземного сегмента являются:

Эти элементы присутствуют почти во всех космических полетах, будь то коммерческие, военные или научные. Они могут быть расположены вместе или разделены географически, и ими могут управлять разные стороны. [5] [6] : 25 Некоторые элементы могут поддерживать несколько космических аппаратов одновременно. [7] : 480 481

Элементы [ править ]

Наземные станции [ править ]

См. Также: Наземная станция
Блюда радио на Embratel земной станции в Тангуа , Бразилия

Наземные станции обеспечивают радиоинтерфейсы между космическим и наземным сегментами для телеметрии, слежения и управления (TT&C), а также для передачи и приема данных полезной нагрузки. [6] : 4 [8] [9] Сети слежения, такие как НАСА «s околоземного сеть и космическая сеть , рукоятки связь с множественным кораблем через разделение времени . [3] : 22

Оборудование наземной станции может контролироваться и управляться дистанционно , часто через последовательный и / или IP- интерфейсы. Обычно существуют резервные станции, с которыми можно поддерживать радиосвязь, если на основной наземной станции есть проблема, которая делает ее неработоспособной, например, стихийное бедствие. Такие непредвиденные обстоятельства учитываются в плане непрерывности операций .

Передача и прием [ править ]

Сигналы, которые должны быть переданы на космический корабль, должны сначала быть извлечены из пакетов наземной сети , закодированы в основной полосе частот и модулированы , [10] обычно на несущую промежуточной частоты (ПЧ), перед преобразованием с повышением частоты в назначенный диапазон радиочастот (RF) . Затем РЧ-сигнал усиливается до высокой мощности и переносится по волноводу на антенну для передачи. В более холодном климате могут потребоваться электрические обогреватели или нагнетатели горячего воздуха, чтобы предотвратить накопление льда или снега на параболической тарелке.

Принятые («нисходящие») сигналы проходят через малошумящий усилитель (часто расположенный в концентраторе антенны, чтобы минимизировать расстояние, которое должен пройти сигнал) перед преобразованием с понижением частоты в ПЧ; эти две функции могут быть объединены в малошумящем блочном преобразователе с понижением частоты . Затем сигнал IF демодулируется , а поток данных извлекается с помощью битовой и кадровой синхронизации и декодирования. [10] Ошибки данных, например, вызванные ухудшением сигнала , идентифицируются и исправляются там, где это возможно. [10] Затем извлеченный поток данных пакетируется.или сохранены в файлы для передачи по наземным сетям. Наземные станции могут временно сохранять принятую телеметрию для последующего воспроизведения в центрах управления, часто когда пропускная способность наземной сети недостаточна для передачи всей принятой телеметрии в реальном времени.

Один космический корабль может использовать несколько радиочастотных диапазонов для различных потоков данных телеметрии, команд и полезной нагрузки , в зависимости от полосы пропускания и других требований.

Проходит [ править ]

Время прохождения , когда космический корабль находится в прямой видимости, определяется расположением наземных станций и характеристиками орбиты или траектории космического корабля . [11] Космическая сеть использует геостационарные спутники-ретрансляторы, чтобы расширить возможности пролета за горизонт.

Отслеживание и ранжирование [ править ]

Наземные станции должны отслеживать космический корабль, чтобы правильно навести свои антенны , и должны учитывать доплеровское смещение радиочастот из-за движения космического корабля. Наземные станции также могут выполнять автоматическое определение дальности ; тоны дальности могут быть мультиплексированы с сигналами команд и телеметрии. Данные наземной станции слежения и дальности передаются в центр управления вместе с телеметрией космического корабля, где они часто используются для определения орбиты.

Центры управления полетами [ править ]

Смотрите также: Список центров управления полетами
Центр управления в Лаборатории реактивного движения НАСА

Центры управления полетами обрабатывают, анализируют и распространяют телеметрию космических аппаратов , а также выдают команды , загружают данные и обновляют программное обеспечение космических аппаратов. Для пилотируемых космических кораблей центр управления полетами управляет голосовой и видеосвязью с экипажем. Центры управления также могут нести ответственность за управление конфигурацией и архивирование данных . [7] : 483 Как и в случае с наземными станциями, обычно имеются резервные средства управления, обеспечивающие непрерывность работы.

Обработка телеметрии [ править ]

Центры управления используют телеметрию для определения статуса космического корабля и его систем. [3] : 485 Хозяйственная, диагностическая, научная и другие виды телеметрии могут передаваться по отдельным виртуальным каналам . Программное обеспечение управления полетом выполняет первоначальную обработку полученной телеметрии, в том числе:

  1. Разделение и раздача виртуальных каналов [3] : 393
  2. Упорядочение по времени и проверка пропусков полученных кадров (пропуски могут быть заполнены командой на повторную передачу)
  3. Декоммутация значений параметров [10] и ассоциация этих значений с именами параметров, называемая мнемоникой
  4. Преобразование исходных данных в откалиброванные (инженерные) значения и расчет производных параметров [7] : 483
  5. Проверка пределов и ограничений (которая может генерировать уведомления о предупреждениях) [3] : 479 [7] : 484
  6. Создание телеметрических дисплеев, которые могут быть табличными, графическими ( графики параметров друг с другом или во времени) или синоптическими (ориентированная на интерфейс графика). [7] : 484

База данных космических аппаратов, предоставляемая производителем космических аппаратов, предназначена для предоставления информации о форматировании кадра телеметрии, положениях и частотах параметров в кадрах, а также связанной с ними мнемонике, калибровках, а также мягких и жестких пределах. [7] : 486 Содержимое этой базы данных - особенно калибровки и пределы - может периодически обновляться для обеспечения согласованности с бортовым программным обеспечением и рабочими процедурами; они могут измениться в течение срока действия миссии в ответ на обновления , ухудшение состояния оборудования в космической среде и изменения параметров миссии. [12] : 399

Командующий [ править ]

Команды, отправляемые на космический корабль, форматируются в соответствии с базой данных космических кораблей и проверяются по базе данных перед передачей через наземную станцию . Команды могут подаваться вручную в режиме реального времени или могут быть частью автоматизированных или полуавтоматических процедур. [7] : 485 Обычно команды, успешно принятые космическим кораблем, подтверждаются телеметрией, [7] : 485, а на космическом корабле и на земле поддерживается счетчик команд для обеспечения синхронизации. В некоторых случаях может выполняться управление с обратной связью . Действия под командованием могут иметь прямое отношение к целям миссии, или они могут быть частью домашнего хозяйства. Команды (и телеметрия) могут быть зашифрованы для предотвращения несанкционированного доступа к космическому кораблю или его данным.

Процедуры космического корабля обычно разрабатываются и тестируются на имитаторе космического корабля перед использованием с реальным космическим кораблем. [13] : 488

Анализ и поддержка [ править ]

Центры управления полетами могут полагаться на "автономные" (т.е. не в реальном времени ) подсистемы обработки данных для решения аналитических задач [3] : 21 [7] : 487, таких как:

  • Определение орбиты и планирование маневра [14]
  • Оценка стыковки и планирование предотвращения столкновений [7] : 478–479.
  • Планирование и расписание миссий [7] : 489–491.
  • Встроенное управление памятью [15] : 247–249
  • Анализ краткосрочных и долгосрочных тенденций [3] : 21
  • Планирование пути в случае планетоходов

Выделенные физические пространства могут быть предоставлены в центре управления для определенных ролей поддержки миссии, таких как динамика полета и управление сетью [3] : 475, или эти роли могут выполняться через удаленные терминалы за пределами центра управления. Поскольку вычислительная мощность на борту и сложность полетного программного обеспечения увеличиваются, наблюдается тенденция к более автоматизированной обработке данных на борту космического корабля . [16] : 2–3

Персонал [ править ]

Центры управления могут постоянно или регулярно укомплектовываться авиадиспетчерами . Укомплектованность персоналом обычно наиболее высока на ранних этапах миссии [3] : 21 и во время критических процедур и периодов. [16] Все чаще центры управления беспилотными космическими кораблями могут быть настроены для работы в режиме «без света» (или в автоматическом режиме ) в качестве средства контроля затрат. [16] Программное обеспечение управления полетом обычно генерирует уведомления.значительных событий - как запланированных, так и внеплановых - в наземном или космическом сегменте, которые могут потребовать вмешательства оператора. [16]

Наземные сети [ править ]

Наземные сети обеспечивают передачу данных и голосовую связь между различными элементами наземного сегмента. [7] : 481–482 Эти сети часто объединяют элементы LAN и WAN , за которые могут нести ответственность разные стороны. Географически разнесенные элементы могут быть подключены через выделенные линии или виртуальные частные сети . [7] : 481 Дизайн наземных сетей определяется требованиями к надежности , пропускной способности и безопасности .

Надежность является особенно важным фактором для критически важных систем , при этом время безотказной работы и среднее время восстановления имеют первостепенное значение. Как и в случае с другими аспектами системы космического корабля, резервирование сетевых компонентов является основным средством достижения требуемой надежности системы.

Соображения безопасности жизненно важны для защиты космических ресурсов и конфиденциальных данных. Связи WAN часто включают протоколы шифрования и брандмауэры для обеспечения безопасности информации и сети . Антивирусное программное обеспечение и системы обнаружения вторжений обеспечивают дополнительную безопасность конечных точек сети.

Удаленные терминалы [ править ]

Удаленные терминалы - это интерфейсы в наземных сетях, отдельные от центра управления полетами, к которым могут получить доступ контроллеры полезной нагрузки , аналитики телеметрии, инструментальные и научные группы, а также вспомогательный персонал, например системные администраторы и группы разработчиков программного обеспечения . Они могут быть только для приема или могут передавать данные в наземную сеть.

Терминалы, используемые потребителями услуг , включая интернет-провайдеров и конечных пользователей , вместе называются «пользовательским сегментом» и обычно отличаются от наземного сегмента. Пользовательские терминалы, включая системы спутникового телевидения и спутниковые телефоны, обмениваются данными напрямую с космическими аппаратами, в то время как другие типы пользовательских терминалов полагаются на наземный сегмент для приема, передачи и обработки данных.

Средства интеграции и тестирования [ править ]

Космические аппараты и их интерфейсы собираются и тестируются на установках интеграции и испытаний (ИиТ). I&T для конкретных задач дает возможность полностью проверить связь и поведение как космического корабля, так и наземного сегмента до запуска. [7] : 480

Стартовые объекты [ править ]

Транспортные средства доставляются в космос через стартовые комплексы , которые занимаются логистикой запусков ракет. Стартовые средства обычно подключаются к наземной сети для ретрансляции телеметрии до и во время запуска. Ракета - носитель сам по себе иногда говорят, составляет «сегмент передачи», который может рассматриваться как отличный от пространства и наземных сегментов. [3] : 21

Затраты [ править ]

Затраты, связанные с созданием и эксплуатацией наземного сегмента, сильно варьируются [17] и зависят от методов учета. Согласно исследованию Делфтского технологического университета , [Примечание 1] наземный сегмент составляет примерно 5% от общей стоимости космической системы. [18] Согласно отчету корпорации RAND о миссиях НАСА для малых космических аппаратов, одни только эксплуатационные расходы составляют 8% от общей стоимости типичной миссии, при этом интеграция и тестирование составляют еще 3,2%, наземное оборудование - 2,6%, а наземные системная инженерия 1,1%. [19] : 10

Факторы, влияющие на стоимость наземного сегмента, включают требования, предъявляемые к помещениям, оборудованию, программному обеспечению, возможности подключения к сети, безопасности и персоналу. [20] Затраты на наземную станцию, в частности, в значительной степени зависят от требуемой мощности передачи, радиочастотного диапазона (ов) и пригодности ранее существовавшего оборудования. [17] : 703 Центры управления могут быть в высокой степени автоматизированы как средство контроля затрат на персонал. [16]

  1. ↑ На основе модели, описанной в « Анализе и проектировании космических миссий» , третье издание, Джеймсом У. Верцем и Уайли Дж. Ларсоном

Изображения [ править ]

  • Антенна, принадлежащая сети Deep Space

  • Центр управления операциями космического телескопа в Центре космических полетов Годдарда , во время обслуживания космического телескопа Хаббл

  • Интеграция летного оборудования на объекте JAXA в Цукубе , Япония

  • Списанная стартовая площадка в Космическом центре Гвианы

См. Также [ править ]

  • Консультативный комитет по системам космических данных (CCSDS), который поддерживает стандарты телеметрии и форматирования команд
  • Служба радиосвязи , как это определено Регламентом радиосвязи МСЭ
  • Бортовая подсистема обработки данных

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Наземный сегмент" . SKY Perfect JSAT Group International. Архивировано из оригинального 20 сентября 2015 года . Дата обращения 5 ноября 2015 .
  2. ^ а б в г Эльберт, Брюс (2014). Справочник наземного сегмента спутниковой связи и земной станции (2-е изд.). Артек Хаус. п. 141. ISBN. 978-1-60807-673-4.
  3. ^ Б с д е е г ч я J K Ley, WILFRIED; Виттманн, Клаус; Холлманн, Вилли, ред. (2008). Справочник по космической технике . Вайли . ISBN 978-0470742419. Проверено 30 декабря 2015 года .
  4. ^ "Наземный сегмент ERS" . Европейское космическое агентство . Дата обращения 5 ноября 2015 .
  5. ^ «Обзор наземного сегмента» . Европейское космическое агентство . Дата обращения 5 ноября 2015 .
  6. ^ a b Рейнигер, Клаус; Дидрих, Эрхард; Микуш, Эберхард (август 2006 г.). «Аспекты проектирования наземного сегмента для миссий наблюдения Земли» (PDF) . Летняя школа Альпбаха.
  7. ^ Б с д е е г ч я J к л м н Шатель, Франк (2011). «Наземный сегмент». В Фортескью, Питер; Суинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Вайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124.
  8. ^ "Радиочастотные компоненты" . SKY Perfect JSAT Group International . Дата обращения 5 ноября 2015 .
  9. ^ "Земные станции / Телепорты - Хаб" . SKY Perfect JSAT Group International . Дата обращения 5 ноября 2015 .
  10. ^ a b c d «Глава 10: Телекоммуникации». Основы космических полетов . Лаборатория реактивного движения НАСА . Проверено 28 декабря 2015 .
  11. ^ Вуд, Ллойд (июль 2006 г.). Введение в спутниковые созвездия: орбитальные типы, использование и связанные с ними факты (PDF) . Летняя сессия ИСУ . Проверено 17 ноября 2015 года .
  12. ^ Шериф, Рэй Э .; Татналл, Адриан Р.Л. (2011). «Телекоммуникации». В Фортескью, Питер; Суинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Вайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124.
  13. ^ Fillery, Nigel P .; Стэнтон, Дэвид (2011). «Телеметрия, управление, обработка и обработка данных». В Фортескью, Питер; Суинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Вайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124.
  14. ^ «Глава 13: Навигация космического корабля». Основы космических полетов . Лаборатория реактивного движения НАСА . Проверено 28 декабря 2015 .
  15. ^ Улиг, Томас; Селлмайер, Флориан; Шмидхубер, Майкл, ред. (2014). Операции космических аппаратов . Springer-Verlag. ISBN 978-3-7091-1802-3. Проверено 28 декабря 2015 .
  16. ^ a b c d e "Оперативный персонал" . Документы по передовой практике спутниковых операций . Технический комитет по космическим операциям и поддержке, Американский институт аэронавтики и астронавтики . Проверено 28 декабря 2015 .
  17. ^ а б Тирро, Себастьяно, изд. (1993). Проектирование систем спутниковой связи . Springer Science + Business Media . ISBN 1461530067. Проверено 8 января +2016 .
  18. ^ Зандберген, BTC, «Стоимость системы ПЗУ», Оценка стоимости элементов космической системы, версия 1.02 , заархивировано из оригинала (таблица Excel) 26 января 2016 г. , получено 8 января 2016 г.
  19. ^ де Век, Оливье; де Неввиль, Ричард; Чанг, Даррен; Шез, Матье. «Технический успех и экономический провал». Коммуникационные спутниковые созвездия (PDF) . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинального (PDF) на 2005-05-09 . Проверено 12 января 2016 .
  20. ↑ Мэтьюз, Энтони Дж. (25 февраля 1996 г.). «Модель стоимости земли (G-COST) для военных систем». Международная конференция по спутниковым системам связи AIAA . Американский институт аэронавтики и астронавтики : 1416–1421. DOI : 10.2514 / 6.1996-1111 .